Nasz Wszechświat nie musiał zrodzić się w Wielkim Wybuchu. Mógł istnieć już wcześniej, kurcząc się do granic możliwości, a następnie, po "Wielkim Odbiciu", zaczął ponownie się rozszerzać, co robi do tej pory. Naukowy z Uniwersytetu Warszawskiego przedstawili właśnie nowy model teoretyczny, który pomoże zweryfikować te domysły.
Za kształt przestrzeni odpowiada grawitacja. Ona sprawia, że obiekty kosmiczne się przyciągają. Fizycy od wielu dekad poszukują najlepszego sposobu, aby dowiedzieć się, jak zachowywała się ta potężna siła w chwili powstawania naszego wszechświata. Na łamach czasopisma "Physical Review D" naukowcy z Wydziału Fizyki UW, dr Marcin Domagała, mgr Wojciech Kamiński i prof. Jerzy Lewandowski oraz, gościnnie, prof. Kristina Giesel z Louisiana State University przedstawili nowy model teoretyczny kwantowej grawitacji.
Model bez uproszczeń
W odróżnieniu od wcześniejszych, nowa teoria opisuje zachowanie grawitacji bez typowych uproszczeń, stosowanych zwykle w modelach kosmologicznych, które zakładają, że pole grawitacyjne w każdym punkcie Wszechświata jest takie samo lub zmienia się w niewielkim stopniu. To przecież nieprawda.
- Można to sobie tak wyobrazić, że gdyby grawitacja działała wszędzie tak samo, to materia w przestrzeni byłaby rozłożona równomiernie, jakby rozsmarowana - wyjaśnił PAP prof. Lewandowski. Tymczasem w kosmosie znajdują sie gwiazdy, planety, galaktyki, masywne czarne dziury, wreszcie miejsca, gdzie materii jest niewiele – kosmiczna próżnia. Prof. Lewandowski: W naszym modelu pole grawitacyjne może być różne w różnych punktach przestrzeni.
Naukowcy z Warszawy, tworząc swoją teorię, wzorowali się na wcześniejszych, bardziej uproszczonych, modelach kosmologicznych, opisujących materię przy pomocy tzw. pola skalarnego, czyli takiego opisu matematycznego, w którym każdemu punktowi przestrzeni przyporządkowano pewną liczbę. – Można powiedzieć, że szybkość zmian pola skalarnego to obecny stan skoncentrowania materii we Wszechświecie – wyjaśnia prof. Lewandowski.
Badacze znad Wisły poszli jednak o krok dalej niż ich koledzy z zagranicy. Ich model dużo precyzyjniej pozwala obliczyć, jak zachowuje się grawitacja, czyli jak kształtuje się przestrzeń w zależności od wartości pola. Są przekonani, że obliczenia pozwolą im niejako cofnąć się w czasie i udzielą odpowiedzi na pytanie, jak wyglądał Wszechświat kiedyś, kiedy materia była w nim bardziej skoncentrowana.
Wybuch poprzedziło kurczenie
Konfrontacja wyników obliczeń polskich naukowców z wcześniejszymi dokonanymi w oparciu o uproszczone modele, pozwoli także zweryfikować teorię o "Wielkim Odbiciu", stworzoną przez Abhaya Ashtekara, Tomasza Pawłowskiego (były doktorant prof. Lewandowskiego) i Parama Singha z Penn State University w USA.
Wcześniejsze uproszczone modele kosmologiczne wskazywały na to, że zanim Wszechświat zaczął się rozszerzać, miał jakąś graniczną gęstość, której nie mógł przekroczyć – wyjaśnia prof. Lewandowski. W miarę cofania się z obliczeniami do początków Wszechświata, fizycy zauważali, że wartość pola skalarnego maleje, a gęstość materii rośnie. W pewnym momencie jednak, gęstość materii nie mogła już wzrosnąć i zaczęła spadać, a wartość pola skalarnego malała nadal. - Inaczej mówiąc, na osi czasu wartość pola skalarnego zmienia się od minus nieskończoności do plus nieskończoności, podczas gdy obecny okres ekspansji przestrzeni jest poprzedzony okresem kurczenia - wyjaśnił prof. Lewandowski.
To jeszcze nie dowód, ale już krok w dobrą stronę, bo nowa teoria pozwala uniknąć dotychczasowego ślepego zaułka, w którym przez dziesięciolecia tkwili fizycy. Tkwili z „winy” Einsteina i jego ogólnej teorii względności. - Jej równania sugerują, że Wszechświat jest tworem dynamicznym: ciągle się rozszerza. Gdy teoretycy chcą sprawdzić, jak Wszechświat wyglądał w przeszłości, dochodzą do momentu, gdy gęstość i temperatura w modelu stają się nieskończone, czyli tracą sens fizyczny – wyjaśnia prof. Lewandowski.
Jak podkreślił, nowa teoria również opiera się na ogólnej teorii względności, ale jednocześnie jest krokiem w kierunku pogodzenia jej z fizyką kwantową, co dotychczas stanowiło problem przy rozważaniach o zjawiskach zachodzących w bardzo wczesnym, gęstym i gorącym Wszechświecie.
To dopiero początek nowej, fascynującej drogi. - Opublikowaliśmy nasz model i dopiero teraz zacznie on być testowany pod kątem wykorzystania do konkretnych obliczeń. Model jest bardzo trudny zarówno ze względu na zastosowaną w nim teorię znaną w szczegółach jedynie wąskiej grupie badaczy, jak i ze względu na techniczne możliwości wykonania jakiegokolwiek obliczenia. Liczę na pomoc moich studentów - powiedział prof. Lewandowski.
(ew/pap)